Agujero negro
Agujero negro
Visión de un artista de un agujero negro con disco de acreción.
Un agujero negro1 u hoyo
negro2 es
una región finita del espacio en cuyo interior existe una
concentración de masa lo suficientemente elevada para generar un campo gravitatorio tal que ninguna
partícula material,
ni siquiera la luz,
puede escapar de ella. Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de
emitir radiación, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawkingen
los años 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no
procede sin embargo del propio agujero negro sino de su disco de acreción.3
La gravedad de un agujero negro, o «curvatura del espacio-tiempo»,
provoca una singularidad envuelta por una
superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones de campo de Einstein. El
horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo
y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula
puede salir, incluyendo los fotones.
Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la
existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio. En los años 70, Hawking, Ellis y Penrose demostraron
varios teoremas importantes sobre la
ocurrencia y geometría de los agujeros negros.4 Previamente,
en 1963, Roy Kerr había
demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros
negros debían tener una geometría cuasi-esférica determinada por
tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y
su momento angular L.
Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias,
entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos.5 La
existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en
especial a través de la emisión de rayos X porestrellas binarias y galaxias activas.
Proceso de formación
Los agujeros negros proceden
de un proceso de colapso
gravitatorio que fue ampliamente estudiado a
mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert
Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking entre
otros. Hawking, en su libro divulgativo Historia del
tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988),
repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros
negros.
Dicho proceso comienza
posteriormente a la muerte de una gigante roja (estrella de gran masa), llámese muerte
a la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de
vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza
a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño
volumen, convirtiéndose en una enana blanca. En este punto dicho proceso
puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la auto atracción
gravitatoria que termina por convertir a esta enana
blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de
atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en
éste.
En palabras más simples, un
agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada
hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable,
la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse.
Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban
fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso:
Por lo que este proceso
comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos.
El resultado final, una estrella de
neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el
plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad
aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre
los átomos. Las partículas de neutrones implotan, aplastándose más, logrando
como resultado un agujero negro, que es una región del espacio-tiempo limitada
por el llamado horizonte de
sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más allá
de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque para escalas
pequeñas sólo una teoría cuántica
de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero
no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.
Historia
del agujero negro
Imagen simulada de como se vería un agujero negro con una masa de
diez soles, a una distancia de 600 kilómetros, con la vía láctea al fondo
(ángulo horizontal de la abertura de la cámara fotográfica: 90°).
El concepto de un cuerpo tan
denso que ni siquiera la luz puede escapar de él, fue descrito en un artículo
enviado en 1783 a la Royal Society por ungeólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton
de gravitación y el concepto de velocidad de
escape eran
muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500
veces el del Sol y la
misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la
de la luz y sería invisible. En 1796,
el matemático francés Pierre-Simon
Laplace explicó
en las dos primeras ediciones de su libro Exposition
du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno
la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue
descartada en ediciones posteriores.
En 1915, Einstein desarrolló la relatividad
general y
demostró que la luz era influida por la interacción
gravitatoria. Unos meses después, Karl
Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de
Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora
que el radio de
Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de
un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel
entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución
matemática, no física. En 1930, Subrahmanyan
Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa
crítica, (ahora conocida como límite de
Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia
gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha
masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por
el principio de
exclusión de Pauli). Sin embargo, Eddington se
opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría
una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que
inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los
científicos.
En 1939, Robert
Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un
colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en
la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra
Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.
En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron
que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en
determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir
de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos
y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares.
Poco después, en 1969,John Wheeler6 acuñó
el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva
York, para designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso
gravitatorio completo".
Clasificación
teórica
Según su origen,
teóricamente pueden existir al menos tres clases de agujeros negros:
Según la masa
Agujeros
negros supermasivos: con masas de varios millones de masas solares. Se hallarían en el corazón de
muchas galaxias. Se forman en el mismo proceso que da origen a los componentes
esféricos de las galaxias.
Agujeros
negros de masa estelar. Se forman cuando una estrella de
masa 2,5 veces mayor que la del Sol se convierte en supernova e implosiona. Su núcleo se concentra en un volumenmuy pequeño que
cada vez se va reduciendo más. Este es el tipo de agujeros negros postulados
por primera vez dentro de la teoría de la relatividad
general.
Micro
agujeros negros. Son objetos hipotéticos, algo más pequeños que
los estelares. Si son suficientemente pequeños, pueden llegar a evaporarse en
un período relativamente corto mediante emisión de radiación de
Hawking. Este tipo de entidades físicas es postulado en algunos
enfoques de la gravedad
cuántica, pero no pueden ser generados por un proceso convencional
de colapso
gravitatorio, el cual requiere masas superiores a la del Sol.
Según sus propiedades físicas
Para un agujero negro
descrito por las ecuaciones de Albert Einstein, existe un teorema denominado de sin pelos (en
inglés No-hair
theorem), que afirma que cualquier objeto que sufra un colapso gravitatorio
alcanza un estado estacionario como agujero negro descrito sólo por 3
parámetros: su masa 
, su carga 
y su momento angular 
. Así tenemos la siguiente
clasificación para el estado final de un agujero negro:
, su carga y su momento angular . Así tenemos la siguiente
clasificación para el estado final de un agujero negro:
El agujero negro más sencillo posible es el agujero negro de
Schwarzschild, que no rota ni tiene carga.
Si no gira pero posee carga eléctrica, se tiene el
llamado agujero negro de
Reissner-Nordstrøm.
Un agujero negro en rotación y sin carga es un agujero negro de
Kerr.
Si además posee carga, hablamos de un agujero negro de
Kerr-Newman.
Descripción
teórica
Zonas observables
Representación artística de un agujero negro con una
estrella del compañero de cerca que se mueve en órbita alrededor que excede su límite de Roche. La materia en que cae forma
un disco de acrecimiento, con algo de la materia que es expulsada enchorros polares colimados
altamente energéticos.
En las cercanías de un
agujero negro se suele formar un disco de
acrecimiento, compuesto de materia con momento angular, carga eléctrica y masa, la
que es afectada por la enorme atracción gravitatoria del mismo, ocasionando que
inexorablemente atraviese el horizonte de
sucesos y,
por lo tanto, incremente el tamaño del agujero.
En cuanto a la luz que atraviesa la zona del disco,
también es afectada, tal como está previsto por la Teoría de la
Relatividad. El efecto es visible desde la Tierra por
la desviación momentánea que produce en posiciones estelares conocidas, cuando
los haces de luz procedentes de las mismas transitan dicha zona.
Hasta hoy es imposible
describir lo que sucede en el interior de un agujero negro; sólo se puede
imaginar, suponer y observar sus efectos sobre la materia y la energía en las
zonas externas y cercanas al horizonte de
sucesos y
la ergosfera.
Uno de los efectos más
controvertidos que implica la existencia de un agujero negro es su aparente
capacidad para disminuir la entropía del
Universo, lo que violaría los fundamentos de la termodinámica, ya que toda materia y energía electromagnética que
atraviese dicho horizonte de sucesos, tienen asociados un nivel de entropía. Stephen Hawking propone
en uno de sus libros que la única forma de que no aumente la entropía sería que
la información de todo lo que atraviese el horizonte de sucesos siga existiendo
de alguna forma.
Otra de las implicaciones de
un agujero negro supermasivo sería la probabilidad que fuese capaz de generar
su colapso completo, convirtiéndose en una singularidad desnuda de materia.
La entropía en los agujeros negros
La fórmula de Bekenstein-Hawking para la entropía de un
agujero negro.
Según Stephen Hawking, en
los agujeros negros se viola el segundo
principio de la termodinámica, lo que dio pie a especulaciones sobre
viajes en el espacio-tiempo y agujeros de
gusano. El tema está siendo motivo de revisión; actualmente Hawking
se ha retractado de su teoría inicial y ha admitido que la entropía de la materia se
conserva en el interior de un agujero negro (véase enlace externo). Según
Hawking, a pesar de la imposibilidad física de escape de un agujero negro,
estos pueden terminar evaporándose por la llamada radiación de
Hawking, una fuente de rayos
X que
escapa del horizonte de sucesos.
El legado que entrega
Hawking en esta materia es de aquellos que, con poca frecuencia en física, son
calificados de bellos. Entrega los elementos matemáticos para comprender que
los agujeros negros tienen una entropía gravitacional intrínseca. Ello implica
que la gravedad introduce un nivel adicional de impredictibilidad por sobre la
incertidumbre cuántica. Parece, en función de la actual capacidad teórica, de
observación y experimental, como si la naturaleza asumiera decisiones al azar
o, en su efecto, alejadas de leyes precisas más generales.
La hipótesis de que los
agujeros negros contienen una entropía y que, además, ésta es finita, requiere
para ser consecuente que tales agujeros emitan radiaciones térmicas, lo que al
principio parece increíble. La explicación es que la radiación emitida escapa
del agujero negro, de una región de la que el observador exterior no conoce más
que su masa, su momento angular y su carga eléctrica. Eso significa que son
igualmente probables todas las combinaciones o configuraciones de radiaciones
de partículas que tengan energía, momento angular y carga eléctrica iguales.
Son muchas las posibilidades de entes, si se quiere hasta de los más exóticos,
que pueden ser emitidos por un agujero negro, pero ello corresponde a un número
reducido de configuraciones. El número mayor de configuraciones corresponde con
mucho a una emisión con un espectro que es casi térmico.
Físicos como Jacob D.
Bekenstein han
relacionado a los agujeros negros y su entropía con la teoría de la
información. El trabajos de Bekenstein sobre teoría de la
información y agujeros negros sugirieron que la segunda ley seguiría siendo
válida si se introducía una entropía generalizada (Sgen)
que sumara a la entropía convencional (Sconv), la entropía
atribuible a los agujeros negros que depende del área total (A) de
agujeros negros en el universo. Concretamente esta entropía generalizada debe
definirse como:
Donde, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, G es la constante de gravitación universal y
es
la constante de Planck racionalizada,
y A el
área del horizonte de sucesos.
Definición de agujero negro
A pesar de que existen
explicaciones intuitivas del comportamiento de un agujero negro, en cosmología
teórica no existe una definición simple de qué constituye un agujero negro, y
todos los teóricos trabajan con definiciones topológicas sofisticadas de qué
constituye un agujero negro. De hecho en un espacio-tiempo compacto no hay una manera adecuada y general de
definir qué condiciones debe cumplir una región para ser considerada un agujero
negro. En espacio-tiempos no compactos se requieren algunas condiciones
técnicas para decidir si una región es un agujero negro, así se dice que en un
espacio-tiempo asintóticamente
plano y
predictible (que contiene una hipersuperficie
de Cauchy que
satisface ciertos requisitos), se dice que hay una región de agujero negro si
el pasado causal de la
hipersuperficie de tipo luz situada en el infinito futuro no contiene a todo el
espacio-tiempo (eso significa que dicha hipersuperficie es inalcanzable desde
algunos puntos del espacio tiempo, precisamente aquellos contenidos en el área
de agujero negro). La frontera del
pasado causal de la hipersuperficie de tipo luz futura es el horizonte de
eventos.
¿Imposibilidad
teórica de los agujeros negros?
Existe resultados
matemáticos sólidos bajo los cuales una teoría métrica de la gravitación (como
la relatividad
general) predice la formación de agujeros negros. Estos resultados
se conocen como teoremas de
singularidades que predicen la ocurrencia de
singularidades espaciotemporales (y si se acepta la hipótesis de
censura cósmica, por tanto a la formación de agujeros negros). Las ecuaciones de
campo de Einstein para la relatividad general admiten
situaciones para las cuales se cumplen las condiciones de ocurrencia de
singularidades y por tanto, los teoremas de singularidad muestran que los
agujeros negros son posibles dentro de la relatividad general. Sin embargo,
algunas teorías métricas alternativas como la teoría
relativista de la gravitación, muy similar a la relatividad general
en casi todos los aspectos y que también explica los hechos observados en el
sistema solar y la expansión del universo, usa ecuaciones de campo ligeramente
diferentes donde siempre se cumple que en ausencia local de materia y en virtud
de las condiciones de causalidad de la teoría, para cualquier campo vectorial
isótropo (vectores tipo luz) definido sobre el espacio-tiempo se cumple la
desigualdad:
Esta condición implica que
no se cumplirán las condiciones de los teoremas mencionados anteriormente y,
por tanto, éstos no pueden ser aplicados para predecir la existencia de
singularidades y por tanto agujeros negros.7 8
Dado que los datos
experimentales no permiten discernir cual de las dos teorías (la de relatividad
general de Einstein o la relativista de la gravitación de Logunov) es la
correcta, pues ambas coinciden para la mayoría de los hechos observacionales
bien comprobados, no pude darse por garantizado que los agujeros negros sean
una consecuencia necesaria de la gravitación.
Los agujeros negros en la
física actual
Se explican los fenómenos
físicos mediante dos teorías en cierto modo contrapuestas y basadas en
principios incompatibles: la mecánica
cuántica, que explica la naturaleza de «lo muy pequeño», donde
predomina el caos y la estadística y admite casos de evolución temporal
no-determinista, y la relatividad
general, que explica la naturaleza de «lo muy pesado» y que afirma
que en todo momento se puede saber con exactitud dónde está un cuerpo, siendo
esta teoría totalmente determinista. Ambas teorías están experimentalmente
confirmadas pero, al intentar explicar la naturaleza de un agujero negro, es
necesario discernir si se aplica la cuántica por ser algo muy pequeño o la
relatividad por ser algo tan pesado. Está claro que hasta que no se disponga de
una física más avanzada no se conseguirá explicar realmente la naturaleza de
este fenómeno.
Descubrimientos recientes
En 1995 un
equipo de investigadores de la UCLA dirigido
por Andrea Ghez demostró mediante simulación por
ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros supermasivos en
el núcleo de las galaxias. Tras estos cálculos mediante el sistema de óptica
adaptativa se
verificó que algo deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de
nuestra galaxia (la Vía Láctea). Tal deformación se debe a un
invisible agujero negro supermasivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A). En 2007-2008 se
iniciaron una serie de experimentos de interferometría a
partir de medidas de radiotelescopios para
medir el tamaño del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, al
que se le calcula una masa 4'5 millones de veces mayor que la del Sol y una
distancia de 26.000 años luz (unos 255.000 billones de km respecto
de la Tierra).9 El
agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia actualmente sería poco
activo ya que ha consumido gran parte de la materia bariónica,
que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes
cantidades de radiación.
Por su parte, la astrofísica Feryal Özel ha
explicado algunas características probables en torno a un agujero negro:
cualquier cosa, incluido el espacio vacío, que entre en la fuerza de mareaprovocada por un agujero negro
se aceleraría a extremada velocidad como en un vórtice y todo el tiempo dentro
del área de atracción de un agujero negro se dirigiría hacia el mismo agujero
negro.
En el presente se considera
que, pese a la perspectiva destructiva que se tiene de los agujeros negros,
éstos al condensar en torno a sí materia sirven en parte a la constitución de
las galaxias y a
la formación de nuevas estrellas.
En junio de 2004 astrónomos
descubrieron un agujero negro súper masivo, el Q0906+6930, en el centro de una galaxia
distante a unos 12.700 millones de años luz. Esta observación indicó una rápida
creación de agujeros negros súper masivos en el Universo joven.
La formación de micro
agujeros negros en los aceleradores de
partículas ha
sido informada,10 pero no confirmada. Por ahora, no hay
candidatos observados para ser agujeros negros
primordiales.
El mayor
Dejando a un lado los agujeros negros
supermasivos que suelen estar en el núcleo de las
galaxias y cuya masa son de millones de veces nuestro Sol, el mayor agujero negro de
masa estelarconocido hasta la fecha, se descubrió el año 2007 y fue
denominado IC 10 X-1. Está en la galaxia enana IC 10 situada
en la constelación de
Casiopea, a una distancia de 1,8 millones de años luz (17 billones de kilómetros) de la Tierra, con una masa de
entre 24 y 33 veces la de nuestro Sol.11
Posteriormente, en abril de 2008,
la revista Nature publicó
un estudio realizado en la Universidad de
Turku (Finlandia).
Según dicho estudio, un equipo de científicos dirigido por Mauri Valtonendescubrió
un sistema binario, un blazar, llamado OJ
287, en la constelación de
Cáncer. Tal sistema parece estar constituido por un agujero negro
menor que orbita en torno a otro mayor, siendo la masa del mayor de 18.000
millones de veces la de nuestro Sol, lo que lo convierte en el mayor agujero
negro conocido. Se supone que en cada intervalo de rotación el agujero negro
menor, que tiene una masa de 100 millones de soles, golpea la ergosfera del
mayor dos veces, generándose un cuásar.
Situado a 3500 millones de años luz de la Tierra,12 está relativamente cerca de la Tierra
para ser un cuásar.
El menor
Sin contar los posibles microagujeros
negros que
casi siempre son efímeros al producirse a escalas subatómicas;
macroscópicamente en abril de 2008 el
equipo coordinado por Nikolai
Saposhnikov y Lev Titarchuk ha
identificado el más pequeño de los agujeros negros conocidos hasta la fecha; ha
sido denominado J 1650,
se ubica en la constelación Ara (o Altar)
de la Vía Láctea (la misma galaxia de la cual forma
parte la Tierra). J 1650 tiene una masa equivalente a 3,8 soles y tan solo 24 km de diámetro se habría formado por el
colapso de una estrella; tales dimensiones estaban previstas por las ecuaciones
de Einstein. Se considera que son prácticamente las dimensiones mínimas que
puede tener un agujero negro ya que una estrella que colapsara y produjera un
fenómeno de menor masa se transformaría en una estrella de
neutrones. Se considera que pueden existir muchos más agujeros
negros de dimensiones semejantes.
Chorros de plasma
En abril de 2008 la
revista Nature publicó
un estudio realizado en la Universidad de
Boston dirigido
por Alan Marscher donde
explica que chorros de plasma colimados parten de campos magnéticos ubicados
cerca del borde de los agujeros negros. En zonas puntuales de tales campos
magnéticos los chorros de plasma son orientados y acelerados a velocidades
cercanas a c (velocidad de la
luz), tal proceso es comparable a la aceleración de partículas para
crear una corriente de chorro (jet) en un reactor.
Cuando los chorros de plasma originados por un agujero negro son observables
desde la Tierra tal tipo de agujero negro entra en la categoría de blazar.
Que un agujero negro
"emita" radiaciones parece una contradicción, sin embargo esto se
explica: todo objeto (supóngase una estrella) que es atrapado por la
gravitación de un agujero negro, antes de ser completamente
"engullido", antes de pasar tras el horizonte de sucesos, se
encuentra tan fuertemente presionado por las fuerzas de marea del
agujero negro en la zona de la ergosfera que una pequeña parte de su materia
sale disparada a velocidades próximas a la de la luz (como cuando se aprieta
fuertemente una naranja: parte del material de la naranja sale eyectado en
forma de chorros de jugo, en el caso de los objetos atrapados por un agujero
negro, parte de su
masa sale disparada centrífugamente en forma de radiación fuera del campo
gravitatorio de la singularidad).
Formación de
estrellas por el influjo de agujeros negros
Nuevas estrellas podrían
formarse a partir de los discos elípticos en torno a agujeros negros; tales
discos elípticos se producen por antiguas nubes de gas desintegradas
previamente por los mismos agujeros negros; las estrellas producidas por
condensación o acreción de tales discos elípticos al parecer tienen órbitas muy
elípticas en torno a los agujeros negros supermasivos.
Radiación de Hawking
Hasta principios de 1970 se pensaba que los agujeros
negros no emitían directamente ningún tipo de materia, y su destino último era
seguir creciendo por la acreción de más y más materia. Sin embargo, una
consideración de los efectos cuánticos en el horizonte de
sucesos de
un agujero llevó a Hawking a descubrir un proceso físico por el cual el agujero
podría emitir radiación. De acuerdo con el principio de
incertidumbre de la mecánica
cuántica existe
la posibilidad de que en el horizonte se formen pares de
partícula-antipartícula de corta duración, dado que la probabilidad de que uno
de los elementos del par caiga dentro del agujero de manera irreversible y el
otro miembro del par escape, el principio de conservación requiere que el
agujero disminuya su masa para compensar la energía que se lleva el par que
escapa de los aledaños del horizonte de sucesos. Nótese que en este proceso el
par se forma estrictamente en el exterior del agujero negro, por lo que no
contradice el hecho de que ninguna partícula material puede abandonar el
interior. Sin embargo, sí existe un efecto neto de transferencia de energía del
agujero negro a sus aledaños, que es la radiación Hawking, cuya producción no
viola ningún principio físico.
Nota
lingüística
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